离子注入机的辐射防护措施在环评与验收阶段的可行性分析

2016-02-08福建省辐射环境监督站冯可新

海峡科学 2016年6期

福建省辐射环境监督站冯可新

1 概述

离子注入机是通过控制不同离子的注入来实现不同离子与物质的作用从而改变材料成份的仪器。某大学能源学院由于科研需要，拟在学院二楼的静电实验室新建一座离子注入机，由学校自筹资金从美国国家静电公司（NEC）定制一台高能、中束流型离子注入机，用于辐照环境下材料的辐照损伤模拟实验。离子注入机的使用在国内尚未大范围普及，而此台离子注入机还是定制的。因此，该机构在离子注入机安装前进行了环境影响评价预测，安装试运行后进行验收监测。设备在试运行的验收阶段，根据实际工作工况对屏蔽防护进行了一定的优化。

2 某离子注入机在环评设计与验收阶段的屏蔽防护措施对比

2.1 离子注入机在环评阶段的屏蔽防护措施

本项目的400kV离子注入机是在科研机构与NEC签订购置合同后，经过NEC两年多的研制开发，该注入机才运抵该科研机构开始安装。而离子注入机的环评阶段是在正式安装前，即还停留在NEC的设计防护屏蔽措施阶段进行。由于该注入机属于定制产品，无固定的型号，部分具体实际参数无法提前实测。在最开始的设计中（即环评阶段），拟通过在辐射产生区域（加速管末端）设计6mm铅当量的屏蔽来消除辐射影响。此外NEC还对其标准加速管进行了改进设计，在加速管每个电极的保护放电隙间安装了环形磁铁，它在束轴附近形成了一个弱磁场，使次级电子在获得足够的能量之前就被有效地捕集干净。附加磁铁所产生的磁场取向沿方位角旋转，因此对离子的运动不会造成明显的影响。这项改进使离子注入机加速管的辐射剂量大大降低。离子注入机环评阶段辐射防护措施的俯视图见图1。

图1 离子注入机的俯视图(环评阶段的屏蔽防护措施)

离子注入机在运抵安装调试出束流后，进行了辐射的初步测量，此时发现X射线辐射来自于所有加速管区域，而非设计时认为的加速管末端。而加速管处于高压和地电势接通区，无法整体安装铅自屏蔽层。在加速管每个电极的保护放电隙间安装了环形磁铁这一改进措施被保留了下来。

2.2 离子注入机在验收阶段的屏蔽防护措施

离子注入机在安装调试后发现无法实现加速管的自屏蔽，而为了能达到屏蔽效果，最终NEC厂家设计在整个设备的外围建造了3mm铅当量的辐射屏蔽墙，部分区域(如加速管末端)加3mm坞板，并在屏蔽墙门上设置了门机联锁装置。这采用距离防护和屏蔽防护的方法，并认为外屏蔽墙是设备的外表面，达到了“设备应有很好的辐射屏蔽效果，且保障了在设备外表面 5cm 处辐射剂量率不超过 0.6μSv/h”的环保要求[1]。而将加速管加装环形磁铁这一改进保留了下来。离子注入机验收阶段辐射防护措施的俯视图见图2。

图2 离子注入机的俯视图(验收阶段的屏蔽防护措施)

由上述可知，该离子注入机是定制产品，无固定型号的相关参数等来参考。环评时主要考虑加速管的自屏蔽来降低辐射，没有考虑自屏蔽的可行性，但在安装调试时，发现无法实现加速管自屏蔽，因此改成 3mm铅屏蔽墙（部分区域加坞板），由上述可知，环评与验收的防护屏蔽措施都是为了达到“在设备外表面5cm处辐射剂量率不超过0.6μSv/h”的环保要求。

3 某离子注入机辐射防护措施在环评与验收阶段可行性对比计算

由于该设备是定制设备，在最终调试出束流前，无法准确知道束流的最大值。NEC厂家的设计目标是1mA，因此，在环评预测过程中，取了一个500μA的额定值。而在离子注入机安装使用调试后，该离子注入机的实际电流强度为100μA，而电压均为400keV，因此离子注入机环评与验收参数不同。离子注入机在上述环评与验收防护屏蔽措施条件下，利用监测数据来进行防护屏蔽措施是否可行有待研究。

3.1 离子注入机在环评阶段的辐射防护措施可行性理论计算

该离子注入机在环评阶段还处在设计阶段，因此，环评阶段只监测了其环境本底值。离子注入机环评时本底监测结果表明：离子注入机拟建址建筑物内环境本底γ剂量率为119～141nSv/h。离子注入机环评阶段的防护措施为加速管末端6mm铅当量的自屏蔽，以下是离子注入机在上述防护屏蔽措施下，根据监测数据进行的可行性计算分析：

3.1.1 离子注入机环评自屏蔽预测

轫致辐射X射线是宽束X射线，其能谱呈现连续谱分布，其中最大值接近引起轫致辐射的电子能量值。为计算本项目离子注入机自屏蔽防护厚度是否满足轫致辐射X射线的防护要求，这里假设轫致辐射X射线的最大能量能够达到二次电子的能量，即达到产生二次电子的离子的能量，即离子源电压30kV。根据有关文献，离子源着靶束流大概只占离子源引出束流的20%～50%。离子源引出的束流在经过质量分析器时，有用的离子从分析光栏里出去了，进入加速管进一步加速，最终成为着靶束流，而无用的离子在质量分析器内被阻拦生成二次电子。环评预测按保守的50%估算，最大束流强度保守取0.5mA，各方向均为初级射线方向，即主射线方向。

这里离子源出来的二次电子轫致辐射X射线屏蔽计算模式采用《辐射防护导论》[2]中X射线机的剂量计算方法。在距离钨靶r处（即考察点处）由X射线机产生的初级X射线束造成的空气比释动能率K·α可按公式（1）计算：

式（1）中，r0=1m；I 为电子束流（mA），本项目取值0.5mA；δ为距钨靶1m处，由初级射线束产生的空气比释动能率，即X射线发射率常数，mGy·m2/（mA · min），查《辐射防护导论》[2]的附图1，恒定电压为30kV时，保守取值100mGy·m2/（mA · min）。考虑到离子源出来的电子轫致辐射X射线是电子打在分析光栏（一般为钢铁）上产生的轫致辐射，在对X射线发射率取值时，将做一定的修正。根据《辐射防护导论》[2]，这种低Z靶的X射线发射率修正因子取值0.7，最终本项目发射率常数取值为70 mGy · m2/（mA · min）。B为屏蔽透射因子，由于资料有限，未查到6mm铅对30kV初级X射线透射比，这里保守按《辐射防护导论》[2]附图12取值，6mm铅对0.1MeV电子产生的宽束X射线对铅的透射比为10-9。r为辐射源点至关注点的距离（m），这里按分析光栏与高压笼外5cm的关注点之间的最近距离0.4m估算。

将以上参数代入式（1）计算，可知距离分析光栏最近的高压笼外表面考察点辐射剂量率约为0.013μGy/h，能够满足《离子注入机通用规范》（GB/T 15862-2012）中，“设备应有良好的射线防护设施，在距机器外表面5cm处检测射线剂量应小于0.6μSv/h”的环保要求。高压笼外其他关注点与分析光栏的距离均远大于0.4m，表面剂量率也将低于0.013μGy/h，同样能够满足上述限值要求，由此可知，6mm铅当量自屏蔽可以满足国家规定的环保要求。

3.1.2 离子注入机环评有效剂量预测

考察点（关注点）人员的年有效剂量由《辐射防护导论》给出的公式（2）进行估算：

式（2）中：DEff为考察点人员有效剂量（Sv）；K·α为考察点的周围空气比释动能率（Gy·h-1）；t为考察点处年受照时间（h）；T为居留因子，全部居留T=1，部分居留T=1/4，偶尔居留T=1/16；U为使用因子，本项目轫致辐射X射线均保守按初级射线估算，U取1；结果简化估算，1mGy近似为1mSv。

3.1.2.1 职业人员受照剂量

职业人员在控制室内操作离子注入机，按距离子注入机表面0.4m的剂量率0.013μSv/h的轫致辐射再经过约6m距离的衰减以及控制室墙体等进一步屏蔽，将减弱至＜1nSv/h的辐射水平，基本湮灭在环境本底辐射中。保守计算取2000h的年工作时间，居留因子取1，由式（2）计算可得，离子注入机表面0.4m的辐射工作人员年有效剂量也不会超过0.026mSv，远小于本项目管理目标“职业人员剂量约束值≤5mSv/年”的要求。

3.1.2.2 公众受照剂量

公众所能到达的辐照区距离离子注入机最近的位置，是照射区北门，相距约4m（照射区北墙外为锅炉设备场所二楼架空区域，公众无法到达）。离子注入机表面剂量率0.013μSv/h的轫致辐射再经过约4m距离的衰减，将减弱至＜1nSv/h的辐射水平，基本湮灭在环境本底辐射中。保守计算取2000h的年工作时间，以及公众居留因子取值1/16，按照距离子注入机表面0.4m的剂量率0.013μSv/h计算，公众年有效剂量也不会超过0.0016mSv，远小于本项目管理目标“公众剂量约束值≤0.1mSv/年”的要求。其他公众区域距离远大于4m，因此可以达到上述要求。

3.1.3 离子注入机的辐射防护措施在环评阶段的可行性分析

由上述结果可知，离子注入机环评阶段的自屏蔽预测可以满足“设备应有良好的射线防护设施，在距机器外表面50mm处检测射线剂量应小于0.6μSv/h”的要求。职业人员和公众年有效剂量不会超过0.026mSv以及0.0016mSv，远小于本项目管理目标“职业人员剂量约束值≤5mSv/年”以及“公众剂量约束值≤0.1mSv/年”的要求，因此离子注入机在环评阶段的屏蔽防护措施是可行的。

3.2 离子注入机在验收阶段的实测计算

离子注入机关机时为本底值，γ剂量率范围为 117～146 nSv/h，而在400kV、100mA的开机工况下，X辐射剂量率为150～511nSv/h，达到了“在设备外表面 5cm 处辐射剂量率不超过0.6μSv/h”的环保要求。离子注入机验收阶段的防护措施为 3mm屏蔽铅墙（部份区域加坞板），以下是离子注入机在上述防护屏蔽措施下，根据监测数据进行的可行性计算分析。

3.2.1 离子注入机验收有效剂量计算

离子注入机的有效剂量按照《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》(GB18871-2002)[3]附录J的辐射权重因数，X射线产生的外照射人均年有效剂量按下列公式计算：

式（3）中，H为外照射人均年有效剂量，mSv；D为附加剂量率，μSv/h；t为射线装置年出束时间，h；T为人员居留因子，无量纲。由于验收过程为实测，根据调查可知，离子注入机每次开机30～40分钟可达到监测时工况，据实验室人员估计离子注入机一年工作约2000小时。离子注入机产生的外照射人均年有效剂量由式（3）计算，结果见表1。

表1 离子注入机所在辐照实验室周围环境辐射剂量率监测结果及年有效剂量计算结果

表1中，居留因子均为保守计算，设备正常运行时，人员几乎不会到达实验区域。由表1可知，职业人员年有效剂量最大为0.197mSv，远小于职业人员的剂量约束值；公众人员年有效剂量为0.009mSv，远小于公众人员的剂量约束值。

3.2.2 离子注入机的辐射防护措施在验收阶段的可行性分析

由上述计算结果可知，在离子注入机验收阶段的屏蔽措施下，职业人员年有效剂量最大为0.197mSv，公众人员年有效剂量为 0.009mSv，远小于本项目管理目标“职业人员剂量约束值≤5mSv/年”以及“公众剂量约束值≤0.1mSv/年”的要求，因此，该项目验收阶段的屏蔽防护措施是可行的。

3.3 离子注入机辐射防护措施在环评与验收阶段可行性对比

由上述计算结果可知，离子注入机环评阶段的6mm铅当量自屏蔽可以满足离子注入机的辐射防护要求，验收时由于自屏蔽无法实现，而改为“3mm 铅屏蔽墙以及部分位置加坞板”的防护措施可以满足离子注入机的辐射防护要求。因此，离子注入机环评时与验收的辐射防护措施是可行的。离子注入机在环评阶段的“6mm 铅当量自屏蔽”的辐射防护措施下，离子注入机表面 0.4m(高压笼外表面)为职业人员可到达最近处，该点职业人员年有效剂量不会超过0.026mSv/a，远小于职业人员剂量限值；公众能到达的最近处为距辐照区约 4m的北门，该点的公众年有效剂量不会超过 0.0016mSv，远小于公众人员剂量限值。离子注入机在验收阶段的防护屏蔽措施下，离子注入机正常工作时，铅屏蔽墙内部不可到达，离子注入机的铅屏蔽墙可视为离子注入机的外表面，职业人员可到达的最近处为南侧铅屏蔽墙外5cm，该点职业人员年有效剂量为0.197mSv/a，远小于职业人员剂量限值；静电实验室门外 30cm处为公众人员所能到达最近处，该点的公众年有效剂量不会超过0.009mSv，远小于公众人员剂量限值。离子注入机在环评与验收阶段职业人员与公众人员的年有效剂量最大值对比数据见表2。